變頻電機(jī)設(shè)計(jì)交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)論文_優(yōu)秀論文

1、 變頻電機(jī)設(shè)計(jì)交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)論文摘要：根據(jù)交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)及逆變器運(yùn)行時(shí)對(duì)變頻電機(jī)工作的影響, 從系統(tǒng)的角度對(duì)變頻電機(jī)在電磁設(shè)計(jì)、耐電暈絕緣系統(tǒng)、軸承絕緣技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面加以闡述。關(guān)鍵詞：變頻電機(jī)設(shè)計(jì)交流調(diào)速系統(tǒng)變頻器諧波一、變頻器運(yùn)行時(shí)對(duì)變頻電機(jī)工作的影響在變頻電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中, 采用電力電子變壓變頻器作為供電電源, 供電系統(tǒng)中電壓除基波外不可避免含有高次諧波分量, 對(duì)外表現(xiàn)為非正弦性, 諧波對(duì)電機(jī)的影響主要體現(xiàn)在磁路中的諧波磁勢(shì)和電路中的諧波電流上, 不同振幅和頻率的電流和磁通諧波將引起電動(dòng)機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅(鋁)耗、鐵耗及附加損耗的增加, 最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅(鋁)耗。這些損耗都

2、會(huì)使電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)降低。同時(shí), 這些損耗絕大部分轉(zhuǎn)變成熱能, 引起電機(jī)附加發(fā)熱, 導(dǎo)致變頻電機(jī)溫升的增加。如將普通三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下, 其溫升一般要增加10%20%。同時(shí)這些諧波磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子諧波電流合成又產(chǎn)生恒定的諧波電磁轉(zhuǎn)矩和振動(dòng)的諧波電磁轉(zhuǎn)矩, 恒定諧波電磁轉(zhuǎn)矩的影響可以忽略, 振動(dòng)諧波電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng), 從而造成電機(jī)轉(zhuǎn)速(主要是低速時(shí))的振蕩, 甚至引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。諧波電流還增加了電機(jī)峰值電流, 在一定的換流能力下, 諧波電流降低了逆變器的負(fù)載能力。對(duì)于變頻電機(jī), 如何在設(shè)計(jì)過程中采取合理措施避免或減小應(yīng)用變頻器所帶來的影響, 以

3、求得系統(tǒng)最佳經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果, 是本文討論的重點(diǎn)。二、變頻電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)于變頻電機(jī), 其設(shè)計(jì)必須與逆變器、機(jī)械傳動(dòng)裝置相匹配共同滿足傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性, 如何從調(diào)速系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)出發(fā), 求得電機(jī)與逆變器的最佳配合, 是變頻電機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)理論依據(jù)交流電機(jī)設(shè)計(jì)理論, 供電電源的非正弦以及全調(diào)速頻域內(nèi)達(dá)到滿意的綜合品質(zhì)因數(shù)是變頻電機(jī)設(shè)計(jì)中需要著重注意的兩個(gè)問題, 設(shè)計(jì)中參數(shù)的選取應(yīng)做特別的考慮。與傳統(tǒng)異步電機(jī)相比, 一般變頻電機(jī)設(shè)計(jì)有如下一些特點(diǎn)：1.用于變頻調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)要求其工作頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào), 所以設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)不能僅僅考慮某單一頻率下的運(yùn)行特性, 而要求電機(jī)在較寬的頻率范圍內(nèi)工作時(shí)

4、均有較好的運(yùn)行性能。如目前大多調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的工作頻率在5Hz100Hz內(nèi)可調(diào), 設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮。2.變頻電機(jī)在低速時(shí)降低供電頻率, 可以把最大轉(zhuǎn)矩調(diào)到起動(dòng)點(diǎn), 獲得很好的起動(dòng)特性, 因而在設(shè)計(jì)變頻電機(jī)時(shí)不需要對(duì)起動(dòng)性能作特別的考慮, 轉(zhuǎn)子槽不必設(shè)計(jì)為深槽, 從而可以重點(diǎn)進(jìn)行其它方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.變頻電機(jī)通過調(diào)節(jié)電壓和頻率, 在每一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)都可以有多種運(yùn)行方式, 對(duì)應(yīng)多種不同的轉(zhuǎn)差頻率, 因而總能找到最佳的轉(zhuǎn)差頻率, 使電機(jī)的效率或功率因數(shù)在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)都很高。因而, 變頻電機(jī)的功率因數(shù)和效率可以設(shè)計(jì)得更高, 功率密度得以進(jìn)一步提高。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明：在額定工作點(diǎn), 逆變器供電下的異步電機(jī)

5、效率比普通電機(jī)高2%3%, 功率因數(shù)高10%20%。4.變頻電機(jī)采用變頻裝置供電, 輸入電流中含有較多的高次諧波, 產(chǎn)生電機(jī)局部放電和空間電荷, 增大了介質(zhì)損耗發(fā)熱和電磁振動(dòng)力, 加速了絕緣材料的老化, 所以應(yīng)加強(qiáng)電機(jī)絕緣和提高整體機(jī)械強(qiáng)度, 變頻電機(jī)的絕緣強(qiáng)度一般要達(dá)到F級(jí)以上。5.變頻供電時(shí)產(chǎn)生的軸電壓和軸電流會(huì)使電機(jī)軸承失效, 縮短軸承使用壽命, 必須在設(shè)計(jì)上要加以考慮。對(duì)較小的軸電流, 可以適當(dāng)增大電機(jī)氣隙和選用專用潤滑脂；另外, 增加軸承的電氣絕緣或者將電機(jī)軸通過電刷接地, 可以有效解決軸承損壞問題；對(duì)過高軸電壓, 應(yīng)設(shè)法隔斷軸電流的回路, 如采用陶瓷滾子軸承或?qū)崿F(xiàn)軸承室絕緣。同時(shí),

6、 在逆變器輸出端增加濾波環(huán)節(jié), 降低脈沖電壓dU/dt也是一種有效的方法。三、電磁設(shè)計(jì)在普通異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上, 為進(jìn)一步提高變頻調(diào)速電機(jī)的性能, 對(duì)變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)也要進(jìn)行更加細(xì)致的考慮。滿足高性能要求時(shí)的變頻電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)參數(shù)和性能要求之間還必須折衷選擇。電磁設(shè)計(jì)時(shí)不能僅限于計(jì)算某一個(gè)工作狀態(tài), 電磁參數(shù)的選取應(yīng)使每個(gè)頻率點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩參數(shù)滿足額定參數(shù)要求, 最大發(fā)熱因數(shù)滿足溫升限值, 最高磁參數(shù)滿足材料性能要求, 最高頻率點(diǎn)滿足轉(zhuǎn)矩倍數(shù)要求, 額定點(diǎn)效率、功率因數(shù)滿足額定要求。由于諧波磁勢(shì)是由諧波電流產(chǎn)生的, 為減小變頻器輸出諧波對(duì)異步電動(dòng)機(jī)工作

7、的影響, 總之是限制諧波電流在一定范圍內(nèi)。四、絕緣設(shè)計(jì)電機(jī)運(yùn)行于逆變電源供電環(huán)境, 其絕緣系統(tǒng)比正弦電壓和電流供電時(shí)承受更高的介電強(qiáng)度。與正弦電壓相比, 變頻電機(jī)繞組線圈上的電應(yīng)力有兩個(gè)不同點(diǎn)：一是電壓在線圈上分布不均勻, 在電機(jī)定子繞組的首端幾匝上承擔(dān)了約80%過電壓幅值, 繞組首匝處承受的匝間電壓超過平均匝間電壓10倍以上。這是變頻電機(jī)通常發(fā)生繞組局部絕緣擊穿, 特別是繞組首匝附近的匝間絕緣擊穿的原因。二是電壓(形狀、極性、電壓幅值)在匝間絕緣上的性質(zhì)有很大的差異, 因此產(chǎn)生了過早的老化或破壞。變頻電機(jī)絕緣損壞是局部放電、介質(zhì)損耗發(fā)熱、空間電荷感應(yīng)、電磁激振和機(jī)械振動(dòng)等多種因素共同作用的結(jié)

8、果。變頻電機(jī)從絕緣方面看應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)良好的耐沖擊電壓性能；(2)良好的耐局部放電性能；(3)良好的耐熱、耐老化性能。五、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí), 主要也是考慮非正弦電源特性對(duì)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲冷卻方式等方面的影響, 一般應(yīng)注意以下問題：1.普通電機(jī)采用變頻器供電時(shí), 會(huì)使由電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素所引起的振動(dòng)和噪聲變得更加復(fù)雜。在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)件及整體的剛度, 盡力提高其固有頻率, 以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。2.電機(jī)冷卻方式：變頻電機(jī)一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻, 即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng), 使其在低速時(shí)保持足夠的散熱風(fēng)量。3.對(duì)恒功率變頻電機(jī), 當(dāng)轉(zhuǎn)速超

9、過3000r/min時(shí), 應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂, 以補(bǔ)償軸承的溫度升高。4.變頻電機(jī)承受較大的沖擊和脈振, 電機(jī)在組裝后軸承要留有一定軸向竄動(dòng)量和徑向間隙, 即選用較大游隙的軸承。5.對(duì)于最大轉(zhuǎn)速較高的變頻電機(jī), 可在端環(huán)外側(cè)增加非磁性護(hù)環(huán), 以增加強(qiáng)度和剛度。6.為配合變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和提高控制精度, 在電機(jī)內(nèi)部應(yīng)考慮裝設(shè)非接觸式轉(zhuǎn)速檢測(cè)器, 一般選用增量型光電編碼器。7.調(diào)速系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)裝置加速度有較高要求時(shí), 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)較小, 應(yīng)設(shè)計(jì)成長徑比較大的結(jié)構(gòu)。六、結(jié)論與普通異步電動(dòng)機(jī)不同, 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)采用變頻器供電, 其運(yùn)行性能與電機(jī)本體和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都密切相關(guān)。這一方面使變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)要同時(shí)兼顧電機(jī)本體和調(diào)速系統(tǒng)；另一方面也使得變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)變得靈活, 但同時(shí)也增加了高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。只有結(jié)合變頻器和一定的控制策略, 從整體上進(jìn)行電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化, 才能獲得最理想的運(yùn)行性能。參考文獻(xiàn)：1ANDRZEJM.TRZYNADLOWS